TZ3Y20A-SrSO4陶瓷基复合材料的制备及摩擦学性能

论文摘要

本文采用化学沉淀法制备出纳米SrSO4粉体,选择具有高熔点、优异的力学性能和耐磨性的ZrO2（3mol%Y2O3）-20wt%Al2O3 （TZ3Y20A）陶瓷为基体,分别采用热压烧结和放电等离子烧结方法制备出TZ3Y20A-SrSO4陶瓷基复合材料。采用XRD、SEM、DSC-TG和TEM分析了SrSO4粉体的形貌、生长机制和复合材料的组织结构,采用万能试验机和高温摩擦磨损试验机对复合材料的力学性能和摩擦磨损性能进行了研究。采用化学直接沉淀法制备出具有不同形貌（片状、柱状和等轴状等）的纳米SrSO4粉体。片状SrSO4粉体的片厚约100nm,片长约200nm;柱状SrSO4粉体横向长度为80-150nm,纵向长度为700-800nm;等轴状SrSO4粉体粒径约80nm。对SrSO4晶体低能面（002）与（210）晶面的衍射强度分析表明,不同晶面相对生长速度的快慢导致了片状和柱状SrSO4晶体的形成;而反应物浓度的降低、EDTA的络合以及PEG的分散等环境因素的改变降低晶体生长驱动力,最终得到等轴状SrSO4多晶体。TZ3Y20A-SrSO4复合材料的最佳热压工艺参数为:烧结温度1150oC,烧结压力40MPa,保温保压60min,升温速率20oC/min。最佳SPS烧结工艺参数为:烧结温度1050oC,烧结压力40MPa,保温保压5min,升温速率50oC/min。TZ3Y20A陶瓷由c-ZrO2、t-ZrO2和α-Al2O3相组成,晶粒尺寸在100500nm之间,α-Al2O3相分布十分均匀。TZ3Y20A-SrSO4陶瓷基复合材料由t-ZrO2（Y2O3）、α-Al2O3和SrSO4相组成,晶粒尺寸为100500nm;润滑相SrSO4在TZ3Y20A-SrSO4陶瓷基复合材料中分布较为均匀。TZ3Y20A-SrSO4复合材料的力学性能取决于组成成分和相对密度。TZ3Y20A陶瓷的硬度、抗弯强度和断裂韧性要明显高于TZ3Y20A-SrSO4复合材料。而TZ3Y20A-50SrSO4复合材料的硬度、抗弯强度和断裂韧性要稍高于TZ3Y20A-30SrSO4复合材料。TZ3Y20A陶瓷的摩擦系数随温度的升高而增加,从室温时的0.48逐渐增加至800oC时的1.15,且高温下摩擦系数在磨损过程中变得不太稳定。向复合材料中加入不同含量SrSO4后,摩擦系数从室温至800oC宽温度范围保持在0.310.42之间,且在磨损过程中较为稳定。TZ3Y20A陶瓷的磨损速率在室温下为2.31×10-6mm3/N·m,而在800oC时迅速增加至4.77×10-4mm3/N·m。不同TZ3Y20A-SrSO4陶瓷基复合材料的磨损速率室温下在6.33×10-56.91×10-5mm3/N·m之间,在600800oC时位于1.17×10-53.39×10-5 mm3/N·m之间。经高温磨损试验后,复合材料中的SrSO4在磨损表面分布均匀,在宽温度范围内起到了固体润滑作用,有效地改善了高温陶瓷的摩擦学性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 陶瓷材料在干摩擦条件下的摩擦学性能
• 2陶瓷的摩擦学特性'>1.2.1 ZrO₂陶瓷的摩擦学特性
• 2O₃陶瓷的摩擦学特性'>1.2.2 Al₂O₃陶瓷的摩擦学特性
• 1.3 一些固体润滑材料的性质
• 1.3.1 高聚物
• 1.3.2 软金属及金属氧化物
• 1.3.3 层状固体
• 1.3.4 无机化合物
• 1.4 硫酸锶的结构及其摩擦学性能
• 1.4.1 硫酸锶的结构及其物理化学性质
• 1.4.2 硫酸锶的摩擦学性能
• 1.5 本论文的研究目的、意义及主要研究内容
• 1.5.1 研究目的及意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 试验材料及研究方法
• 2.1 试验用原材料
• 4粉体的制备'>2.1.1 试验用SrSO₄粉体的制备
• 2.1.2 试验用陶瓷基体粉体
• 4复合材料的设计与制备'>2.2 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的设计与制备
• 4复合材料的设计'>2.2.1 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的设计
• 4复合材料的制备工艺'>2.2.2 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的制备工艺
• 2.3 粉体热物性能测试
• 2.4 材料组织结构分析方法
• 2.4.1 XRD物相分析
• 2.4.2 SEM观察
• 2.4.3 TEM观察
• 2.4.4 密度的测试
• 2.5 材料力学性能测试方法
• 2.5.1 室温抗弯强度和弹性模量的测试
• 2.5.2 室温断裂韧性测定
• 2.5.3 维氏硬度测定
• 2.6 材料摩擦学性能测试方法
• 2.6.1 摩擦系数测定
• 2.6.2 磨损速率测定
• 4纳米粉体的制备'>第3章 SrSO₄纳米粉体的制备
• 4粉体的乙醇-水溶液体系制备及其表征'>3.1 SrSO₄粉体的乙醇-水溶液体系制备及其表征
• 4粉体的乙醇-水溶液体系制备'>3.1.1 SrSO₄粉体的乙醇-水溶液体系制备
• 4粉体的表征'>3.1.2 乙醇-水溶液体系制备SrSO₄粉体的表征
• 4纳米粉体的EDTA络合体系制备及其表征'>3.2 SrSO₄纳米粉体的EDTA络合体系制备及其表征
• 3.2.1 EDTA的络合机制
• 4纳米颗粒团聚体'>3.2.2 EDTA络合体系制备的SrSO₄纳米颗粒团聚体
• 4纳米粉体'>3.2.3 EDTA络合体系制备的SrSO₄纳米粉体
• 4多形性机制探讨'>3.3 SrSO₄多形性机制探讨
• 3.4 本章小结
• 4陶瓷基复合材料的热压制备及摩擦学性能'>第4章 TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的热压制备及摩擦学性能
• 4陶瓷基复合材料的热压制备及组织结构'>4.1 TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的热压制备及组织结构
• 4陶瓷基复合材料的热压制备'>4.1.1 TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的热压制备
• 4陶瓷基复合材料的组织结构'>4.1.2 热压制备TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的组织结构
• 4陶瓷基复合材料的力学性能'>4.2 热压制备TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的力学性能
• 4陶瓷基复合材料的摩擦学性能'>4.3 热压制备TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的摩擦学性能
• 4陶瓷基复合材料的摩擦学机理'>4.4 热压制备TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的摩擦学机理
• 4.4.1 摩擦磨损机理
• 4.4.2 摩擦系数分析
• 4.4.3 磨损速率分析
• 4.4.4 磨损表面分析
• 4.5 本章小结
• 4陶瓷基复合材料的SPS制备及摩擦学性能'>第5章 TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的SPS制备及摩擦学性能
• 4陶瓷基复合材料的SPS制备及组织结构'>5.1 TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的SPS制备及组织结构
• 4陶瓷基复合材料的SPS制备'>5.1.1 TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的SPS制备
• 4陶瓷基复合材料的组织结构'>5.1.2 SPS烧结TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的组织结构
• 4陶瓷基复合材料的摩擦学性能'>5.2 SPS制备TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的摩擦学性能
• 4陶瓷基复合材料的摩擦学机理'>5.3 SPS制备TZ3Y20A-SrSO₄陶瓷基复合材料的摩擦学机理
• 5.3.1 摩擦系数分析
• 5.3.2 磨损速率分析
• 5.3.3 磨损表面分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢